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Solar- und Wärmepumpensysteme

Überblick über ein Projekt der Internationalen Energieagentur

Das Projekt Solar- und Wärmepumpensysteme (Solar and Heat Pump Systems) der Internationalen Energieagentur (IEA) wurde mit dem Ziel initiiert, die Systemkombination von Solarthermie und Wärmepumpen zu optimieren. Das Projekt ist eine Kooperation des „Solar Heating and Cooling Programme“ (SHC) und des „Heat Pump Programme“ (HPP) der Internationalen Energieagentur und wird als „IEA SHC Task44/ HPP Annex 38“ bezeichnet (Laufzeit: Jän. 2010 bis Dez. 2013.

Anwendungsbereich

Als wichtigster Zielbereich wurden Anlagen von 5 bis 20 kW thermischer Leistung zur Bereitstellung von Warmwasser und Heizwärme in Wohngebäuden definiert. Sämtliche verfügbare Kollektortypen finden hierbei Beachtung: die Verwendung eines flüssigen Wärmeübertragungsmediums, Luft- bzw. Hybridkollektoren oder thermische und photovoltische Hybridkollektoren („PV/T“ – Kollektoren) sowie abgedeckte oder unabgedeckte Kollektoren. Es wird auch jede Art von Wärmequelle für die Wärmepumpe berücksichtigt: Solar, Luft, Wasser oder Erdwärme. Der Fokus liegt aus Gründen, die der Wärmepumpenmarkt vorgibt, auf elektrisch angetriebenen Wärmepumpen.

Um den Anwendungsbereich zu fokussieren, wurde die Komfortkühlung von Wohngebäuden nicht direkt in den Arbeiten behandelt, obwohl Wärmepumpen neben ihrem Hauptnutzen für die Heizung im Umkehrmodus des Kältemittelkreislaufes als Kältemaschinen eingesetzt werden können. Das Projekt deckt die auf dem Markt verfügbaren Lösungen als auch Systeme im Prototypenstadium ab, welche im Laborbetrieb getestet bzw. während der Laufzeit des Projekts entwickelt wurden.

Teilnehmende Länder am gemeinsamen Projekt der IEA SHC Task44/ HPP Annex 38 (T44A38) sind Belgien, Dänemark, Deutschland, Frankreich, Italien, Kanada, Österreich, Schweiz, Spanien, Schweden und die USA für das SHC-Programm bzw. Finnland, Deutschland und die Schweiz für das HPP.

Organisationsstruktur und bearbeitete Bereiche

Das Projekt ist in 4 Teilprojekte (Subtasks) mit folgenden Aufgabenbereichen untergliedert:

In Subtask A (Lösungen und allgemeine Systeme) werden Informationen über gegenwärtige und zukünftige Lösungen der Kombination von Solarthermie und Wärmepumpen zur Heizungsunterstützung in Einfamilienhäusern gesammelt, aufbereitet und verbreitet. Der Fokus liegt hierbei auf gebauten, installierten und mittels Monitoring überwachten Systemen.

In Subtask B (Leistungsbeurteilung) wird eine gemeinsame Definition von Leistungskennzahlen (Arbeitszahlen) von kombinierten Solar- und Wärmepumpensystemen und deren Beurteilung entwickelt. Diese Arbeit kann in weiterer Folge zur Definition einer Vor-Norm für die Durchführung und Dokumentation von Leistungstests eines kombinierten Solar- und Wärmepumpensystems führen.

In Subtask C (Modellierung und Simulation) werden Instrumente zur Modellierung aller generischen Solar- und Wärmepumpensysteme bereitgestellt und Sensitivitätsanalysen für die meisten Systeme durchgeführt, um wichtige und nebensächliche Funktionalitäten einer gegebenen Systemkonfiguration genau bestimmen zu können. Aus den Ergebnissen der Arbeiten dieser Subtask soll ein Auslegungswerkzeug (ev. ein Simulationsprogramm) zur Dimensionierung der Anlagenkomponenten erarbeitet werden.

In Subtask D (Verbreitung und Marktunterstützung) werden die durch die Teilnehmer generierten wertvollen Informationen einem wachsenden Markt zur Verfügung gestellt. Letztendlich wird ein Endbericht, der darauf abzielt ein Referenzdokument auf dem Gebiet der Kombination von Solarthermie und Wärmepumpen zu sein, veröffentlicht.

Abbildung 1: Organisation der Teilprojekte (Subtasks)

Energie-Fluss-Diagramm

Es gibt unterschiedliche Möglichkeiten, die Systeme und deren Energieströme darzustellen: Von einem Hydraulikschema, welches das jeweilige System im Detail abbildet bis hin zu Energieflussdiagrammen, deren Linienstärke proportional der Energiemenge ist (Sankey-Diagramm). Betrachtet man die hohe Komplexität der möglichen Systemkombinationen, so wurde in diesem Projekt eine Darstellung entwickelt, deren Systemkonfigurationen leicht verständlich sind und deren Komponenten sich rasch identifizieren lassen. Die Systemdarstellung unterscheidet zwischen thermischen und elektrischen Energieflüssen, welche zwischen den jeweiligen Komponenten bzw. zwischen dem System und dem Gebäude, dem Elektrizitätsnetz und allen anderen Energiequellen (sowohl erneuerbar als auch fossil) welche innerhalb der Systemgrenzen und auch außerhalb liegen, auftreten.

Diese “Energieflussdiagramme” werden verwendet, um die Systeme einheitlich und übersichtlich zu beschreiben und die Komponenten und Energieströme darzustellen. In Abbildung 2 sind beispielhaft ein Hydraulikschema und das dementsprechende, vereinfachte Energieflussschema dargestellt.

Abbildung 2: Hydraulikschema und entsprechendes Energieflussdiagramm (Quelle: IWT TU-Graz)

Vier grundlegende Systeme

Die im Rahmen von Subtask A erfassten Systemkombinationen wurden in vier Hauptkategorien gegliedert: das „parallele“, das „serielle“, das „regenerative“ und das „komplexe“ Konzept.

Das parallele Konzept ist ein konventionelles Solar-Kombisystem, worin die Solarkollektoren und die Wärmepumpe getrennt voneinander in einen gemeinsamen Speicher Energie liefern. Anders als beim parallelen Konzept erzeugen beim seriellen Konzept die Solarkollektoren zusätzlich Wärme für den Verdampfer der Wärmepumpe. Die Kollektoren können hier auch die Rolle eines Umgebungsluftwärmetauschers übernehmen (unabgedeckte oder hybride Kollektoren).

Im regenerativen Konzept liefern die Solarkollektoren im Sommer Wärme an einen Erdwärmetauscher und regenerieren somit das Erdreich. Es handelt sich hierbei aber nicht um einen saisonalen Speicherprozess, die mittlere Langzeittemperatur des Erdreichs kann damit aber annähernd konstant gehalten werden, was von Vorteil für die Effizienz der Wärmepumpe ist. Dies ist z.B. dann wichtig, wenn die vorhandenen Bohrlöcher nicht die notwendige Kapazität aufweisen.

Komplexe Systemkonfigurationen sind eine Kombination der seriellen, parallelen und/oder regenerativen Konzepte. Beispiele der vier Systemkonzepte sind als Energieflussdiagramme in Abbildung 3 dargestellt.

Abbildung 3: Die vier grundlegenden Systeme und ihre Darstellung als Energiefluss-Diagramm

Marktstudie

88 Firmen in 11 teilnehmenden europäischen Ländern nahmen 2010/2011 an einer Marktstudie betreffend Solar und Wärmepumpensysteme teil [5]. Die oben genannte Klassifikation, die für die untersuchten Systeme angewandt wurde, ergibt die in Abb. 4 gezeigte Aufteilung am Markt. Das „parallele“ Konzept (P), dominiert klar mit 61 % Anteil. Solar - Wärmepumpensysteme mit reinen „seriellen“ (S) bzw. „regenerativen“ (R) Konzepten sind mit 6 % bzw. 1 % im Vergleich selten angeboten. Sehr beachtlich ist der Anteil an komplexen Systemen mit Kombination aus parallelen, seriellen und/oder regenerativen Systemen, der 33 % beträgt.

Abbildung 4: Anteile der vier allgemeinen Systeme innerhalb der Marktstudie (135 untersuchte Systeme)

Einflussfaktoren in Bezug auf die Leistung der Systeme

Im Projekt wurden die Hauptparameter, welche die Leistung der Systeme beeinflussen, untersucht. Wie die laufenden Arbeiten zeigten, sollten folgende Kriterien für das Design eines hybriden Solar- und Wärmepumpensystems sorgfältig betrachtet werden:

  • Einfachheit der hydraulischen Konfiguration
  • Parallele Systeme bevorzugt vor komplexen Systemen
  • Serielle Konfiguration sinnvoll, wenn die Regelung optimal abgestimmt ist
  • Angepasste Positionierung der Speicheranschlüsse
  • Temperatursensoren im Speicher in den korrekten Höhen
  • Sorgfältiges Speichermanagement (niedrige Rücklauftemperaturen)

Andere Parameter wie z.B. Volumenströme oder die Leistung der Wärmetauscher haben ebenso einen großen Einfluss auf die Effizienz des Gesamtsystems, besonders wenn sie nicht von Beginn an adäquat geplant wurden. In den Endberichten der Subtasks des Projektes, die Anfang 2014 erhältlich sein werden, wird die Rolle der einzelnen Parameter ausführlich analysiert.

Zusammenfassung und Ausblick

Etwa 50 Experten aus 12 Ländern arbeiten seit 2010 an der Task 44. In Subtask A wurde eine Marktstudie an 135 verschiedenen Systemen durchgeführt, welche bereits veröffentlicht ist [5]. Darüber hinaus wurden in verschiedenen Ländern für mehr als 20 Systeme, die einen weiten Bereich an Systemkonfigurationen abdecken, ein 1-3 jähriges Monitoring durchgeführt, in dessen Rahmen monatliche Leistungsfaktoren (Arbeitszahlen) erfasst und das Betriebsverhalten der Systeme analysiert wurde.

In Subtask B wurde eine umfassende Bewertungsmethode hinsichtlich Leistungsfaktoren erstellt, sodass die unterschiedlichsten Systeme miteinander verglichen werden können.

In Subtask C wurde ein Simulationsprogramm entwickelt, um den Zusammenhang der Einflussparameter eines gegebenen Systems besser verstehen zu können und um die Systeme zu optimieren. Dies ist ein hilfreiches Werkzeug, um Solar- und Wärmepumpenkombination optimal dimensionieren zu können.

Die Forschungsaktivitäten des Projektes zielten darauf ab, den Wert und den Nutzen der verschiedenen Systemkombination von Solarenergie und Wärmepumpen für die Anwendung in Wohngebäuden zu analysieren. Sämtliche Resultate werden Anfang 2014 veröffentlicht und ein Handbuch zum Thema Solar- und Wärmepumpensysteme wird erscheinen. Weiterführende Informationen finden sich in den Referenzen [1] bis [4].

Referenzen

  1. http://www.iea.org
  2. http://www.iea-shc.org
  3. http://www.heatpumpcentre.org/en/Sidor/default.aspx
  4. http://www.iea-shc.org/task44/
  5. Jörn Ruschenburg and Sebastian Herkel; with contributions from W. Becke, M. D’Antoni, S. Eicher, K. Ellehauge, H. Focke, M. Haller, M. Huber, I. Katić, A. Loose, I. Malenković, A. Thür and M. Vukits, A Review of Market-Available Solar Thermal Heat Pump Systems, March 2013, IEA SHC T44A38

Autorenbeschreibung

Jean-Christophe Hadorn ist Operating Agent des Projekts T44A38 für das Swiss Federal Office of Energy ( This e-mail address is being protected from spambots. You need JavaScript enabled to view it. )

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